Name: Un método para estudiar la dependencia de la temperatura de la dinámica de la fractura y fragmentación (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 12 s
Description: Aprende un método para estudiar la fractura dinámica y fragmentación de materiales bajo altas tasas de deformación usando un cilindro expansivo impulsado por pistola de gas. Esta técnica permite controlar la temperatura inicial de la muestra.

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Los autores agradecen con gratitud la continua financiación y apoyo para el proyecto por parte del Atomic Weapons Establishment, AWE Plc. (Reino Unido) y el Imperial College London.

1. Fabricación de destino y la Asamblea <ol><li> Cilindro de destino de la máquina a las dimensiones deseadas de valores sólidos. </li><li> Preparar la superficie del cilindro mediante la eliminación de las marcas de mecanizado. Una superficie difusa uniforme es preferible para PDV reflexión. Los buenos resultados se han obtenido con un lijado húmedo luz con&gt; 1.200 granos. </li><li> Caracterizar los componentes de destino, es decir, medir lo siguiente: Longitud del cilindro, diámetro y espesor de pared (en varios lugares) Longitud del proyectil, diámetro Longitud Ogive, diámetro Misa de todo lo anterior </li><li> Montar el anillo de montaje del cilindro y el brazo PDV. </li><li> Monte las sondas PDV en los montes y cinemáticos en el brazo PDV. </li><li> Inserte la ojiva en el cilindro de destino para que la parte posterior de la ojiva es al ras con la parte trasera del cilindro (esto debe hacerse en un taller plana). Los tres tornillos M3 están diseñados para mantener la ojiva en el lugar mientras que permite que el cilindro &#39;cáscara away &#39;durante la expansión. </li><li> Colocar el cilindro de destino en el hardware de montaje de manera que la entrada del cilindro es al ras con la cara delantera del anillo de montaje. Asegure el cilindro en su lugar con 6 tornillos prisioneros M4. </li><li> Instalar aparato de calefacción / refrigeración y termopares de bonos a lo largo de la longitud de la pared exterior del cilindro. </li><li> Limpie el / APC (conector de virola, el contacto físico en ángulo) FC conectores en el extremo de las fibras de la sonda PDV con paño de limpieza de fibra y comprobar con un alcance de fibra. Esto es importante para reducir la retrorreflexión. </li><li> El uso de un visible (660 nm) láser de clase 3R o menos alinear las sondas de modo que son normales al cilindro (es decir, la luz reflejada vuelve a caer en la sonda). </li><li> Montar un circuito reflectividad básica utilizando una bomba de circulación. Conecte el láser nm Clase 1 1550 a la entrada 1, la sonda PDV a la entrada 2 y un medidor de potencia de entrada 3. Alinear las sondas PDV a su vez, para que el poder de regresar se maximiza. </li></ol><ol><li> Usando el tapón del cañón y el micrómetro de profundidad alinear el anillo de destino para el extremo del cilindro de inclinación para reducir al mínimo el impacto. </li><li> Instale el sistema de mitigación de fragmentos y la protección de la puerta. </li><li> Coloque el tapón de la alineación de destino en el barril. </li><li> Instale el ensamblaje de destino y alinear al enchufe. </li><li> Instalar el par gatillo maquillaje en el extremo del cañón y conectar con el hardware y el diagnóstico de temporización. Mida la distancia desde el contacto con el gatillo para impacto del proyectil en la ojiva. </li><li> Instale los espejos de inflexión para la fotografía de alta velocidad. </li><li> Alinear los espejos para dar una vista ortogonal del cilindro a través de los puertos de destino de tanques y bloquear en su lugar. </li><li> Alinear la alta cámaras de velocidad y lámparas de flash fuera del tanque de destino. Mirando por el cañón, coloque la cámara de alta velocidad y una lámpara de flash a 3:00 con respecto al cilindro. Coloque la cámara IVV a las 9 horas yotra lámpara de flash a las 12 horas. En esta configuración, la cámara de alta velocidad será adelantado iluminado para el seguimiento de la grieta y el IVV proporcionará imágenes silueteadas para la detección de bordes. </li><li> Conecte la calefacción / refrigeración de equipos para atacar y pasantes de alimentación vacío. </li><li> PRECAUCIÓN: Con las gafas adecuadas y otras precauciones encender los láseres de clase IV, osciloscopios y sistemas de PDV. </li><li> Compruebe los niveles de potencia que se envían a las sondas PDV. Con el sistema de PDV, típicamente utilizar alrededor de 5 mW a cada sonda con 1 mW por canal para la referencia. </li><li> Compruebe la alineación de las sondas PDV con un medidor de potencia. Una vez satisfecho con el uso de la tarjeta IR alineación para medir donde las sondas PDV están buscando en la superficie del cilindro. </li><li> Encienda el láser de referencia y comprobar la calidad de las señales de batido dadas por cada sonda. Ajustar la longitud de onda del láser (s) para establecer la frecuencia de batido cero velocidad deseada (configurar esta alrededor de 5 GHz). </li><li> Una vez satisfecho con el objetivo de alignment, la ubicación del disparador, la cámara y la alineación del espejo, la alineación de la sonda PDV y la ubicación y el marco de mitigación del cierre del depósito de destino. </li><li> Retire el tapón de la alineación; instalar el proyectil. </li><li> Cámaras de instalación e iluminación (velocidad de cuadro, la exposición, los tiempos) y realizar la prueba de imagen. Velocidades de cuadro típicas son alrededor de 250.000 fotogramas / seg para ambas cámaras, con una exposición de alrededor de 0,5 microsegundos. La primera imagen está normalmente programada para coincidir con el momento del impacto. </li></ol> Preparación 3. Firing <ol><li> Instale los diafragmas de nalgas que son aplicables a la presión de cocción necesario. </li><li> Cierre la recámara y comenzar la evacuación de los tanques de destino. Trate de mantener un nivel de vacío en la región de 50 mTorr. </li><li> Realice la configuración definitiva de todos los diagnósticos (retrasos osciloscopio, disparadores, ajustes de la cámara, etc.). Osciloscopios Set para PDV en 50 microsegundos por división, 25 PSEC por punto y un predisparo de 20% para dar una ventana de 500 microsegundos. Dispare la oscilloscopes y cámaras de tiempo tal que cero coincide con el momento del impacto. </li><li> Prueba de disparo final; verificación horarios son exactas. </li><li> Encienda el láser; cámaras de brazo. </li><li> Cerrar habitación; enclavamientos asegurar láser y de alta presión están en la posición correcta. </li><li> Comience calefacción / refrigeración según sea necesario utilizando el software LabVIEW. </li><li> Cargue la pistola a la presión de disparo requerida. </li><li> Cuando a la presión, hacer una verificación final que todos los sistemas de diagnóstico están armados. </li><li> Aislar el aparato de calefacción o refrigeración. </li><li> Countdown &quot;3, 2, 1 FUEGO.&quot; </li><li> Ventile los tanques de objetivo y de captura. </li><li> Guarde todos los datos del osciloscopio y de la cámara. </li></ol> Foto 4. Publicar <ol><li> Apague los láseres y esperar a que el arma para igualar plenamente a la atmósfera. </li><li> Abra el depósito de destino, recoger todos los fragmentos de metal y resolver el Ti-6Al-4V. </li></ol> Análisis 5. Datos <ol><li> Realizar análisis STFT en el os PDVdatos cilloscope para reducir la velocidad de la historia según el análisis de Ao y Dolan 12. </li><li> Proceso de datos de imágenes de alta velocidad con software tal como se menciona en la tabla de equipos. La filmación de las cámaras de alta velocidad va a proporcionar el tiempo y la tensión en la falla y permitir el análisis de la formación de grietas y el crecimiento. Las imágenes silueteado de la IVV proporcionan una clara ventaja para examinar el perfil de deformación completa del cilindro. </li><li> Medir y pesar fragmentos recuperados. Seleccione fragmentos con características interesantes, tales como fracturas detenidos y prepararlos para la microscopía. <ol><li> Sección, montaje y pulir los fragmentos; luego analizar en el microscopio electrónico. Electron retrodispersión de difracción se proporciona información sobre la textura y microestructura junto imágenes de electrones secundarios para investigar las superficies de fractura e identificar el modo de fallo. </li></ol></li></ol>

<ol><li>Jones, D. R., Chapman, D. J., Eakins, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+gas+gun+based+technique+for+studying+the+role+of+temperature+in+dynamic+fracture+and+fragmentation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">A gas gun based technique for studying the role of temperature in dynamic fracture and fragmentation.</a> J. Appl. Phys. 114, 173508(2013).</li>
<li>Liao, S. C., Duffy, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adiabatic+shear+bands+in+a+Ti-6Al-4V+titanium+alloy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mech.+Phys.+Solids%22%5BJournal%5D)">Adiabatic shear bands in a Ti-6Al-4V titanium alloy.</a> J. Mech. Phys. Solids. 46 (11), 2201-2231 (1998).</li>
<li>Mott, N. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fragmentation+of+shell+cases%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+R.+Soc.+Lond.+A%22%5BJournal%5D)">Fragmentation of shell cases.</a> Proc. R. Soc. Lond. A. 189 (1018), 300-308 (1947).</li>
<li>Hoggatt, C. R., Recht, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fracture+behavior+of+tubular+bombs%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Fracture behavior of tubular bombs.</a> J. Appl. Phys. 39 (3), 1856-1862 (1968).</li>
<li>Banks, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+fragmentation+behavior+of+thin-walled+metal+cylinders%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">The fragmentation behavior of thin-walled metal cylinders.</a> J. Appl. Phys. 40 (1), 437-438 (1969).</li>
<li>Warnes, R. H., Duffey, T. A., Karpp, R. R., Carden, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+technique+for+determining+dynamic+metal+properties+using+the+expanding+ring%5BTitle%5D)+AND+%22Los+Alamos+Scientific+Laboratory+Report%22%5BJournal%5D)">Improved technique for determining dynamic metal properties using the expanding ring.</a> Los Alamos Scientific Laboratory Report. , (1980).</li>
<li>Niordson, F. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+unit+for+testing+materials+at+high+strain+rates%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Mech%22%5BJournal%5D)">A unit for testing materials at high strain rates.</a> Exp. Mech. 5 (1), 29-32 (1965).</li>
<li>Grady, D. E., Benson, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fragmentation+of+metal+rings+by+electromagnetic+loading%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Mech%22%5BJournal%5D)">Fragmentation of metal rings by electromagnetic loading.</a> Exp. Mech. 23 (4), 393-400 (1983).</li>
<li>Winter, R. E., Prestidge, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+technique+for+the+measurement+of+the+high+strain+rate+ductility+of+metals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mat.+Sci%22%5BJournal%5D)">A technique for the measurement of the high strain rate ductility of metals.</a> J. Mat. Sci. 13 (8), 1835-1837 (1978).</li>
<li>Vogler, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fragmentation+of+materials+in+expanding+tube+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Imp.+Eng%22%5BJournal%5D)">Fragmentation of materials in expanding tube experiments.</a> Int. J. Imp. Eng. 29, 735-746 (2003).</li>
<li>Strand, O. T., Goosman, D. R., Martinez, C., Whitworth, T. L., Kuhlow, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compact+system+for+high-speed+velocimetry+using+heterodyne+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Inst%22%5BJournal%5D)">Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques.</a> Rev. Sci. Inst. 77, 083108(2006).</li>
<li>Ao, T., Dolan, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SIRHEN%3A+A+data+reduction+program+for+photonic+Doppler+velocimetry+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Sandia+National+Laboratories+Report%22%5BJournal%5D)">SIRHEN: A data reduction program for photonic Doppler velocimetry measurements.</a> Sandia National Laboratories Report. , (2010).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Este método permite la investigación de los materiales a altas tasas de carga de tracción en un amplio intervalo de temperaturas, desde criogénico a ~ 1000 K, único a este diseño. Sin embargo, esto se suma ciertos desafíos a la configuración experimental y ejecución. En primer lugar, para optimizar el control de temperatura del inserto de ojiva necesita ser mecanizado a partir de un material adecuado. 4340 acero se utiliza aquí, aunque cualquier acero de alta dureza a alta temperatura debería ser suficiente. Asimismo, c...

El fracaso dinámico de un material es un aspecto importante de su comportamiento mecánico general, y tiene relevancia para numerosas industrias, incluyendo la automoción, aeroespacial, y militar para nombrar unos pocos. Mientras que el fracaso a bajas tasas de deformación se estudia típicamente a través de pruebas de tensión convencionales, en los que una muestra larga y delgada se carga en la tensión de los extremos, a altas velocidades de deformación una geometría / configuración de este tipo requiere una muestra a ser muy pequeña con el fin de mantener una equilibrio pseudo-mecánica durante toda la prueba. En el aspecto de una sola grieta, el material circundante se relajó, deteniendo eficazmente el desarrollo de sitios de fallo adyacentes. Esto limita el número de fracturas que se pueden observar de forma simultánea en un mismo experimento, y evita que la información importante con respecto a las estadísticas de fracaso que se determinen. La prueba de cilindro en expansión es una técnica bien establecida para la caracterización de la manera en que materials fallar y fragmento bajo alta carga de velocidad. En la prueba, un cilindro hecho del material de interés se carga de manera uniforme a lo largo de su circunferencia interior, el lanzamiento de una onda de tensión a través de la pared y haciendo que el cilindro se expanda. Pronto esta onda radial disipa y una tensión uniforme aro de tracción alrededor de la circunferencia domina. A medida que la tasa de estrés y la tensión es la misma alrededor del cilindro el comportamiento de fractura y fragmentación se rige únicamente por las propiedades del material. La prueba alivia el problema antes mencionado como los típicamente grandes circunferencias muestra promueven la iniciación de varios sitios de falla bajo tensión uniforme 1. El objetivo principal en el desarrollo de esta técnica experimental era permitir el estudio del papel de la temperatura en el comportamiento de fractura y la fragmentación de un cilindro de expansión. El control de la temperatura de la muestra permitirá que para la investigación de cómo la resistencia a la tracción dinámica, el mecanismo de fractura, y Fragmentación comportamiento del material se ve afectada. Por ejemplo, en metales, un aumento de temperatura puede causar un cambio de la frágil a la fractura dúctil, con capacidad de trabajo más de plástico antes de fallar en última instancia. Algunos materiales, tales como Ti-6Al-4V también pueden exhibir localización de cizallamiento adiabática 2. Si bien la muestra se deforma, la obra plástica genera calor. Si la tasa de ablandamiento como resultado de este aumento de la temperatura es mayor que la tasa de endurecimiento por trabajo de la deformación, una inestabilidad puede formar donde una gran cantidad de deformación plástica se produce en un (banda de cizallamiento adiabática) banda muy localizada. Esta respuesta se promueve en Ti-6Al-4V debido a su pobre conductividad térmica, y potencialmente puede limitar su eficacia para aplicaciones tales como armadura ligera. Este nuevo enfoque de pruebas debe satisfacer dos criterios principales. En primer lugar, el método debe producir una velocidad de deformación radial del orden de 10 4 seg -1, típicamente visto en balística yeventos de impacto, para permitir la comparación con estudios anteriores que emplean esquemas más tradicionales de carga. En segundo lugar, el mecanismo de accionamiento tiene que ser afectado por la temperatura de la muestra para garantizar la coherencia entre los experimentos. Mecanismos de expansión del cilindro iniciales utilizaron cargas explosivas, ya sea simplemente llenar el cilindro de muestra 3-5 directa o mediante un controlador intermedio. En este último caso se utiliza un tampón 6, donde se coloca la muestra sobre un cilindro de acero que a su vez contiene una carga explosiva. La limitación obvia es que a medida que el cilindro de muestra contiene el material de accionamiento (en la forma del explosivo) calentar el cilindro también se calentará la carga. Si bien esto puede no causar directamente la iniciación de la carga de muchos tipos de explosivos contienen un material aglutinante polimérico que se derrita a cabo desde el cilindro de muestra. Del mismo modo, algunos explosivos se vuelven muy sensibles cuando se enfría. Esto significa que las unidades de explosivos no son adecuados para el estudio de la temperatura. Una alternativamétodo utiliza la fuerza de Lorentz para la expansión - la muestra se coloca sobre una bobina de conductor 7, 8 A Corriente de alta se inyecta en esta bobina conductor (cable de cobre calibre normalmente pesado), induciendo una corriente opuesta en la muestra.. Estas corrientes opuestas han asociado los campos magnéticos que actúan uno contra el otro, la presión magnética de conducir la muestra hacia fuera desde la cara interior. Una vez más, el calentamiento del material afectará negativamente a la bobina de accionamiento de cobre dentro de la muestra. Pistolas de gas se han utilizado para la expansión del cilindro desde finales de 1970 9. En estos experimentos, el material utilizado para la inserción en el cilindro es un polímero, la unidad viene como un resultado de tanto el proyectil e insertar deformación en el impacto. Este inserto es típicamente un caucho o de plástico 10, la resistencia y la ductilidad de los cuales se verá gravemente afectada por la temperatura. Calefacción hará que la pieza de inserción demasiado suave, y la refrigeración será hacer que se comporte de una manera frágil por lo que falla prematuramente. <p class = &quot;jove_content&quot;&gt; A diferencia de las técnicas de expansión del cilindro anteriores, el método descrito aquí es el primero en proporcionar una unidad de carga repetible en un amplio rango de temperaturas (100-1.000 K). Nuestra técnica es única en el hecho de que el material utilizado para la conducción de la expansión (en nuestro caso el proyectil) es separada desde el cilindro hasta el punto de impacto. En consecuencia, no se ve afectada por la temperatura inicial del cilindro de la muestra y proporciona una carga repetible. La geometría experimental consiste en un acero ojiva montado en el interior del cilindro de destino, con la punta situado a mitad de camino a lo largo de la longitud del cilindro. Una sola pistola de gas luz de la etapa se utiliza para lanzar un proyectil de policarbonato con una cara cóncava en el cilindro a velocidades de hasta 1.000 m / seg -1. El eje del objetivo es de cilindro está cuidadosamente alineado con el eje del cilindro de gas-gun para facilitar una carga repetible y uniforme. El impacto y la posterior flujo del poproyectil lycarbonate alrededor de la ojiva de acero pseudo-rígida, impulsa el cilindro en la expansión de la pared interior. La geometría de la inserción de ojiva y la cara cóncava del proyectil fueron cuidadosamente optimizadas utilizando simulaciones por ordenador hidro-código para generar la expansión deseada del cilindro. El uso de acero de aleación 4340 para la ojiva permite la experimentación con el cilindro a temperatura como su fuerza es mucho mayor que el proyectil de policarbonato sobre el rango de temperatura de interés, asegurando el mecanismo de accionamiento se mantiene constante. Ojivas recuperadas a partir de experimentos con calefacción y enfriamiento sólo se presentan deformación mínima como consecuencia del impacto. El calentamiento y enfriamiento del cilindro de la muestra se lleva a cabo por la instalación de hardware de control de temperatura en un rebaje mecanizado en la parte trasera del inserto de ojiva. Para enfriar la muestra a temperaturas criogénicas (~ 100 K), el rebaje en la ojiva está sellado con un tapón de aluminio y nitrógeno líquido es fguido través de la cavidad. A medida que el cilindro de destino tiene una gran superficie de contacto con la ojiva de la muestra se enfría por conducción. Para calentar el cilindro objetivo a temperaturas cercanas a 1000 K, un calentador de cerámica y nicromo resistivo se coloca en el rebaje ojiva. Una alta fuente de alimentación de corriente proporciona hasta 1 kW, el calentamiento de la ojiva y el cilindro. El cilindro y ojiva son térmicamente aisladas de la meta de montaje en el único gas-gun etapa mediante el uso de espaciadores cerámicos MACOR. El tanque también se mantiene bajo vacío moderado (&lt;0,5 Torr) durante el experimento que ayuda a la manipulación térmica. Con el fin de diagnosticar el proceso de fragmentación de la botella, el diseño experimental incluye múltiples canales de frecuencia de conversión de PDV, para medir la velocidad de expansión en los puntos a lo largo del cilindro. PDV es una técnica relativamente nueva interferometría con base 11, la fibra óptica, que permite la medición de velocidades de superficie durante los eventos altamente dinámicos. Durante una medición PDV, Doppler cambió la luz reflejada de una superficie móvil de interés utilizando una sonda de fibra óptica se combina con la luz un-desplazado, creando una frecuencia de batido que es directamente proporcional a la velocidad de la superficie en movimiento. En esencia, un sistema de PDV es un interferómetro de Michelson rápido utilizando los avances en la tecnología de las comunicaciones en el infrarrojo cercano (1.550 nm) para grabar frecuencias de batido en la gama de los Ghz. El sistema de montaje para los 100 mm de longitud focal PDV sondas utilizadas en el estudio actual se asegura de que están aislados de la temperatura del cilindro y proporciona una fácil alineación. Una ventaja adicional del uso de las sondas 100 mm de distancia focal es que proporcionan acceso óptico suficiente para permitir fotografía de alta velocidad para medir el perfil de expansión de todo el cilindro. La disposición y ubicación de los cuatro sondas, AD, a lo largo del cilindro se muestran en la Figura 1 Dos cámaras de alta velocidad se emplean aquí.; una cámara de video de alta velocidad Phantom V16.10 operando a 250.000 fps y una cámara 12/24 encuadre IVV UHSi, la captura de 24 imágenes. La cámara IVV está a contraluz de tal manera que el cilindro se ilumina en silueta permitiendo el borde expansión radial del cilindro para realizar un seguimiento con precisión. La cámara Phantom es frontal iluminado imágenes del proceso de iniciación fracaso y la fragmentación. La fotografía de alta velocidad puede ser correlacionada con la velocimetría de dar tensión y velocidad de deformación a lo largo de toda la muestra. La formación de imágenes de alta velocidad también permite una medida exacta de la cepa fracaso y los patrones de fractura a lo largo de la superficie. La técnica experimental presentado en la sección siguiente protocolo proporciona un medio de controlar la temperatura de la muestra en un experimento cilindro en expansión, a través del cual diferentes mecanismos de fractura pueden ser activados o suprimidos. Esta técnica conducirá a una comprensión más amplia del papel de la temperatura en escenarios de carga dinámica.

<table><tbody><tr><td>Láser CW de 1.550 nm</td><td>Fotónica NKT</td><td>Koheras Adjustik</td><td>x 2</td></tr><tr><td>Amplificador de potencia de 1.550 nm</td><td>Fotónica NKT Generadores de</td> retardo <td>HPA</td><td></td>Koheras Boostik</tr><tr><td>Compositores</td><td>cuánticos</td><td>9500+ Generador de pulsos de retardo digital Versión</td> de <td>8 salidas</td></tr><tr><td>Stanford Research Systems</td><td>DG535 Digitalizador</td><td></td><td></td></tr> <tr><td></td><td>digital de 16 canalesAgilent Technologies</td><td>U1056B Chasis + 4 x U1063A Digitalizador</td><td></td></tr><tr><td>Osciloscopios de alto ancho de banda</td><td>Teledyne LeCroy</td><td>WaveMaster 816Zi-A Velocidad de</td><td>expansión, Gen 3 PDV</td></tr><tr><td>Tektronix</td><td>DPO71604C</td><td>Velocidad de proyectiles, Gen 1 PDV</td><td></td></tr><tr><td>Sistemas de imágenes de alta velocidad</td><td>Vision Research</td><td>Phantom v16.10</td><td></td></tr><tr><td>Visión Invisible IVV</td><td>UHSi-24</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zeiss Optics</td><td>Planar T* 1,4/85</td><td>85 mm Objetivo</td><td></td>principal</tr><tr><td>Nikon</td><td>AF-S Nikkor 70-200 mm f/2.8 ED VR II</td><td>70-200 mm Teleobjetivo</td><td></td></tr><tr><td>Flash Lámpara</td><td>Bowens</td><td>Gemini Pro 1500 W</td><td>x 2</td></tr><tr><td>PDV Sonda</td><td>Láser 2000</td><td>LPF-04-1550-9/125-S-21.5-100-4.5AS-60-3A-3-3</td><td>x 4 (Pedido personalizado)</td></tr><tr><td>Sistema PDV</td><td>Construido internamente por el Institute of Shock Física</td><td>Construcción</td><td>personalizada 3rd generación (cambio ascendente) 8 canales</td></tr><tr><td>portátil PDV Software de control</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 2013</td><td></td></tr><tr><td>Hardware de control para calefacción</td><td>National Instruments</td><td>NI-DAQ 6009 USB</td><td></td></tr><tr><td>Fuente de alimentación de calefacción</td><td>BK Precision</td><td>BK1900</td><td></td></tr><tr><td>Thermopair Logger</td><td>Pico Technology</td><td>TC-08</td><td></td></tr><tr><td>Pistola de gas ligera de una sola etapa de 100 mm</td><td>Physics Applications, Inc. (PAI)</td><td>Construcción personalizada</td><td>Capaz de al menos 1.000 m/seg con proyectil de ~2 kg</td></tr><tr><td>Software de análisis de imágenes</td> National <td>Institutes of Health</td><td>ImageJ</td> Software de análisis de imágenes de <td>código abierto, gratuito</td></tr><tr><td>Mathworks</td><td></td><td>MATLAB r2014a</td><td>Con cajas de herramientas de procesamiento</td></tr> de <tr><td>imágenes Sierra</td> <td>de corte de materialMicroscopio</td> electrónico <td>Struers Accutom-50</td><td></td></tr><tr><td>Zeiss</td><td>Auriga</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Difracción de retrodispersión de electrones</td><td>Bruker</td><td>e-Flash 1000</td><td></td></tr><tr><td>EBSD Software</td><td>Bruker</td><td>eSprit</td><td></td></tr></tbody></table>

un método para estudiar la dependencia de la temperatura de la dinámica de la fractura y fragmentación

A Method for Studying the Temperature Dependence of Dynamic Fracture and Fragmentation

La fractura dinámica de un cuerpo es un fenómeno de la última etapa estudiado típicamente bajo condiciones simplificadas, en el que una muestra se deforma bajo tensión uniforme y velocidad de deformación. Esto puede ser producido por la carga de manera uniforme la superficie interna de un cilindro. Debido a la simetría axial, ya que el cilindro se expande la pared se coloca en una tensión circunferencial de tracción que es uniforme alrededor de la circunferencia. Si bien hay varias técnicas para generar esta expansión, tales como explosivos, accionamiento electromagnético, y las técnicas de pistola de gas existentes que todos ellos están limitados en el hecho de que el cilindro de la muestra debe estar a temperatura ambiente. Se presenta un nuevo método utilizando una pistola de gas que facilita experimentos en los cilindros de 150 K a 800 K con una carga consistente y repetible. Estos experimentos altamente diagnosticados se utilizan para examinar el efecto de la temperatura sobre los mecanismos de fractura responsables de fracaso, y su influencia resultante en las estadísticas de fragmentación. La geometría experimental emplea unaojiva de acero situado en el interior del cilindro de destino, con la punta situado a mitad de camino. Un arma solo gas luz de la etapa se utiliza para lanzar un proyectil de policarbonato en el cilindro a 1000 m / seg -1. Los impactos de proyectiles y fluye alrededor de la ojiva rígido, conduciendo el cilindro de muestra desde el interior. El uso de un inserto de ojiva no deformar nos permite instalar hardware de control de temperatura en el interior de la parte trasera del cilindro. El nitrógeno líquido (LN 2) se utiliza para la refrigeración y una alta carga de corriente resistiva para la calefacción. Múltiples canales de upshifted velocimetría Doppler de fotones (PDV) un seguimiento de la velocidad de expansión a lo largo del cilindro que permite una comparación directa con las simulaciones por ordenador, mientras que las imágenes de alta velocidad se utiliza para medir la deformación a la rotura. Los fragmentos recuperados de cilindro también están sujetos a microscopía óptica y electrónica para determinar el mecanismo de fallo.

La calidad de los datos será en primer lugar dependerá de la temporización experimental. Si los retrasos del gatillo a impacto son correctas entonces las lámparas de flash estarán produciendo suficiente luz cuando el cilindro de destino comienza a deformarse, lo que permite que las cámaras de alta velocidad para obtener imágenes claras. En este caso, las imágenes de la cámara de encuadre tendrá un borde silueteado claro que se puede utilizar para realizar un seguimiento de la deformación de todo el cilindro. Software co...

La fractura y la fragmentación son fenómenos de etapa tardía en escenarios de carga dinámica y generalmente se estudian utilizando explosivos. Presentamos una técnica para impulsar la expansión utilizando una pistola de gas que permite el control único de la velocidad de carga y la temperatura de la muestra.

Un método para estudiar la dependencia de la temperatura de la dinámica de la fractura y fragmentación

The dynamic fracture of a body is a late-stage phenomenon typically studied under simplified conditions, in which a sample is deformed under uniform ...

El objetivo del siguiente experimento es desarrollar un método para estudiar la fractura dinámica y la fragmentación de un material bajo cargas de tracción a altas velocidades de deformación, y para un rango de temperaturas iniciales de la muestra. Esto se logra mediante una geometría de cilindro en expansión impulsada por un lanzagases, en la que la muestra tiene la forma de un cilindro hueco que contiene un inserto interior de acero con forma de O, el cual constituye el aparato de control de temperatura. Como segundo paso, el cilindro objetivo se monta axialmente en el extremo del cañón del lanzagases, y se instalan diagnósticos láser basados en la simetría para medir la velocidad de expansión en varios puntos a lo largo del cilindro, mientras que se utiliza imagenología de alta velocidad para rastrear la iniciación y propagación de la fractura.A continuación, se lleva el cilindro a la temperatura deseada y se lanza el proyectil de policarbonato contra el blanco. El impacto resultante entre el proyectil y el inserto de OJ provoca que el policarbonato fluya hacia afuera, forzando al cilindro a expandirse radialmente de forma uniforme, lo que genera un estado de tensión tractiva en la dirección circunferencial. La simetría vela y la imagenología de alta velocidad pueden utilizarse entonces para determinar las características de deformación, falla y fragmentación del material en función de la temperatura, junto con el análisis de fragmentos para determinar los mecanismos de fractura.La principal ventaja de esta técnica frente a otros métodos existentes, como la técnica clásica de invierno o el uso de explosivos o barras de Hopkinson de tracción, es que permite estudiar el efecto de la temperatura inicial de la muestra sin afectar factores experimentales como la carga o la velocidad de deformación en la muestra. Comience los preparativos para el experimento con un cilindro objetivo mecanizado a partir de la aleación de titanio, titanio, 6% aluminio, 4% vanadio en porcentaje ponderal o Ti-6Al-4V. El cilindro tiene 150 milímetros de longitud, un diámetro interno de 50 milímetros y un espesor de pared de cuatro milímetros.El acabado superficial debe estar libre de marcas de mecanizado y debe dejarse ligeramente difuso para su uso. Con la simetría de velocidad Doppler fotónica, proceda a unir termopares a lo largo del cilindro. Comience a ensamblar el objetivo. Primero coloque el inserto OJ en la parte trasera del cilindro y fíjelo en su lugar con los tornillos de sujeción.A continuación, coloque el cilindro y el conjunto O jive en el manguito de montaje. Fíjelo con tornillos de fijación. En este momento, instale el aparato de calentamiento o enfriamiento.Para este experimento, coloque una carga resistiva micrométrica en la parte trasera del inserto O jive. Aquí se muestra el ensamblaje final con los termopares para permitir la medición de la temperatura a lo largo del cilindro y las sondas demuestran simetría en este punto. El ensamblaje final del blanco se muestra junto al proyectil del cañón de gas para su comparación.Después de limpiar los conectores de la sonda, alinee aproximadamente las sondas con un láser visible, haciendo pasar la luz láser de 660 nanómetros a través de una sonda y hacia el cilindro para lograr un alineamiento aproximadamente normal. Ajuste la sonda hasta que la luz reflejada regrese a la sonda. Continúe con un alineamiento más detallado utilizando un láser de 1.550 nanómetros y un circulador óptico.Para medir la cantidad de luz reflejada recopilada, ajuste cada sonda hasta alcanzar el valor máximo. Una vez que el objetivo esté listo, comience a trabajar con la pistola de gas. Coloque un tapón de alineación cuidadosamente mecanizado dentro del extremo del cañón.A continuación, instale el conjunto objetivo sobre el tapón y ajuste el soporte del objetivo hasta que el cilindro esté alineado coaxialmente con el cañón. Con el objetivo alineado, conecte la bobina de calentamiento a los cables de alta corriente y las fibras ópticas al sistema de simetría de fotones Doppler Vela.Regrese al cañón para instalar un disparador para el hardware de temporización. Coloque un par de disparadores al final del cañón de manera que un proyectil complete un circuito al salir del cañón. Luego mida la distancia desde el disparador hasta el punto de impacto en el O jive para permitir una estimación del tiempo de impacto.En este momento, configure el sistema de imagen de alta velocidad. Utilice espejos para transmitir imágenes a través del puerto óptico del lanzagases. Coloque las unidades de flash apuntando hacia el cilindro desde el frente y desde arriba.Coloque una cámara de alta velocidad fuera del tanque objetivo, alineada y enfocada en el cilindro. El cilindro debe ocupar casi todo el encuadre, dejando espacio para la expansión del mismo. Cuando todo esté en orden, tome las precauciones de seguridad adecuadas para los láseres en el sistema de simetría de velocidad doppler de fotones.Luego encienda el sistema de simetría de vela y los osciloscopios, y verifique la simetría de vela. Revise los niveles de potencia y la alineación de las sondas. A continuación, utilice una tarjeta de visualización infrarroja para determinar la distancia desde la parte trasera del cilindro hasta el punto donde se enfocan las sondas de simetría de vela.Encienda el láser de referencia para comprobar la señal en cada canal. Ajuste el latido de velocidad cero a cinco gigahercios. Después de una prueba final de todos los diagnósticos, retire el tapón de alineación y cierre el tanque.Instale el proyectil y prepárese para disparar evacuando el tanque objetivo hasta aproximadamente 50 militorr y configurando el equipo de temporización para obtener imágenes de alta velocidad y una oscilografía. Ajuste el tiempo cero para que coincida con el tiempo estimado de impacto. Encienda los láseres y active los diagnósticos antes de asegurar la sala y trasladarse a la sala de control.Desde la sala de control, comience a calentar el objetivo hasta la temperatura deseada. Cuando se alcance la temperatura, cargue el cañón a la presión de disparo deseada.Una vez que alcance la presión de disparo, realice una verificación final. Apague la fuente de alimentación de calor. Realice una cuenta regresiva y dispare: 3, 2, 1.Después del disparo, doble el cañón de gas y guarde los datos de la cámara mientras el cañón vuelve a la presión atmosférica. Cuando sea seguro continuar, regrese a la sala del cañón, apague el láser y guarde los datos del osciloscopio. A continuación, abra el tanque objetivo para recoger los restos. Restos.Los restos consistirán en Tie seis cuatro y otros fragmentos metálicos. Retire todos los fragmentos metálicos del tanque para su posterior extracción y análisis de tie seis cuatro. Este video de alta velocidad muestra un cilindro de aleación de titanio a 150 K. La velocidad del proyectil fue de 1000 metros por segundo.La cámara de encuadre recopiló una imagen cada 10 microsegundos con una exposición de 0,7 microsegundos. La simetría Botone Doppler vela proporcionó los datos para este gráfico, que muestra la velocidad de expansión en función del tiempo. Las dos curvas sólidas corresponden al cilindro de 150 K.La curva negra corresponde a la posición delantera. Aproximadamente en la punta del O jive, la curva roja corresponde a un punto más atrás a lo largo del O jive. Para comparación, las curvas punteadas muestran datos para un cilindro a 800 K. Nuevamente, la curva negra está en la punta del O jive, y la curva roja está más atrás.El cilindro analizado presenta una menor desaceleración tras la velocidad máxima, lo que sugiere que la fractura se inició antes. Aquí, las curvas de color sólido corresponden a la deformación radial acumulada en cuatro puntos a lo largo de la longitud del cilindro mantenido a 150 K. Los puntos y la línea punteada que los conecta indican el número de grietas visibles utilizando el eje de la derecha. Bueno, estas imágenes del video de alta velocidad permiten obtener información sobre la activación temporal de la fractura.Aquí, se observan múltiples fracturas longitudinales en el cilindro de 150 K siguiendo los procedimientos que hemos presentado, como la imagen de alta velocidad y las mediciones de velocidad. Un análisis cuidadoso de los fragmentos recuperados puede revelar los mecanismos de fractura que ocurren en la muestra y que son responsables de la fragmentación.

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Investigación

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